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yangzeng金虫 (著名写手)
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光合细菌（Photosynthetic Bacteria）研究，应用和进展；希望与大家交流！上
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光合细菌（PSB）是地球上最早出现的原核生物，具有原始不产氧的光能合成体系，它的生态学研究始于十九世纪中叶，100多年来取得了许多成果。 光合细菌分布广泛，几乎遍布于土壤、泥炭沼泽、淡水、海水、水生植物根系，以及含硫黄的泉水之中，是一类水生的革兰氏阴性细菌，由于其生理类群的多种多样，故是目前细菌当中最为复杂的菌群之一。该菌群用途广泛涉及到经济建设和日常生活的各个方面，具有净化有机废水的能力；亦可作为家畜、家禽、鱼类的饲、饵料添加剂以及果树、蔬菜、食用菌、水稻的生物肥料。我国对于光合细菌的基础研究已有30—40年历史：应用研究近十多年才开始，已日益引起人们的关注和重视。本专题仅就光合细菌的一些重要性质和内容进行引述，俾重视其综合效益的开发和利用。 一、 光合细菌的类别 1． 依据光合细菌所具有的色素体系分之，可分成绿色和紫色光合细菌两大类群。 绿色光合细菌的属别和特征列如表1。紫色光合细菌（色硫菌科）的属别和特征列如表2。红螺菌科的属别和特征列表3。Truper（1976年）将Chloroflexus（滑行性丝状绿色硫黄细菌）属列为一独立的新科，提出将全体光合细菌分列为4科的提案。依拟此分类法，现已知光合细菌目包括2亚目、4科、18属约45种。 2． PSB由下述四个科组成，它们的生理生态学特征彼此有差异： 2.1红色非硫黄细菌Rhodospirillaceae科 惯用名为Purple nonsulfur bacteria，这个科的细菌利用各种有机物作为光合反应的氢供体，以此进行光合异养生长。因而，它们生长在含有多量有机物的厌气水层中：不过，有一部分红色非硫黄细菌也能生长在含氧水层中以靠呼吸进行生长。因此，它们是兼性光养微生物。另外它们不能利用硫化物，但最近研究表明它们仍能利用低浓度硫化物的。 2.2红色及绿色硫黄细菌Chromatiaceae科和Chlorobiaceae科，惯用名分别为Purple Sulfur bacteria，Green Sulfur bacteria 这两科细菌都利用CO2作为碳源，H2S作为光合成反应的氢供体，以此进行光合自养生长。它们常常生长在含有CO2和H2S的厌气水层中。同样要指明很多红色硫黄细菌也能进行光合异养生长。 2.3滑行性丝状绿色硫黄细菌Chloroflexaceae科惯用名Gliding filamentous green sulfur bacteria 本科细菌能利用各种有机物作为碳源和光合反应的氢供体；也能利用CO2和H2S来生长。此科细菌于1971年才由B pierson和K castenholtz发现，是一种含有滑行丝状细胞的高温菌，密集地附在含有H2S的碱性温泉水（45~60C）流经的岩石表面。这个科的细菌能营光能异养和兼性化能异养生长。 3． 光合色素的种类及其在菌体中的分布 3.1光合细菌的细胞体内含有细菌叶绿素（菌绿素）和类胡萝卜素的光合色素，随光合色素的组成和数量不同，形成了菌种所呈颜色的差异。在培养液呈现的颜色中，反映极为清晰。迄今已经纯化分离的细菌叶绿素计有5种，它们都是含镁的卟啉衍生物，分别称为细菌叶绿素a、b、c、d、e。各具有固定的光吸收波长（图1）。光在水中的透过度随其波长而变，深水层中生长的菌种，类胡萝卜素的含量高。 3.2类胡萝卜素的可分为开环结构和闭环结构两种。依据其生物合成途经和化学结构而分为5类，大约有30多种。 类胡萝卜素的作用是将光能传递给菌绿素免受强光伤害，并以其组成和数量不同影响吸收光譜的波长，在菌体所呈颜色方面起着决定性作用。例如，使色硫菌科中的细菌呈现出褐色、粉红、褐红色、紫红色到紫色或橙色；使绿硫菌科中的细菌呈绿色；红螺菌科中细菌呈黄色到紫色的各种鲜艳之色。 3.3光合色素是复杂内膜系统中的一部分，接于质膜之上并从质膜分枝，常常占据细胞内的大部分，其含量多少受光强度的影响。其次O2对光合细菌色素的合成具有明显的抑制作用，随着环境中O2的消除，而又能得到恢复，是一种可逆性的改变。所以一般来说，颜色还不是用来识别光合细菌类型的一个好的标准。 4． 各种自然水体中的光合细菌 光合细菌是水域微生物的一个特殊生理类群，广泛生长在富营养化的水体中，即含有某种营养源（H2S等）的厌气层，具有能透过光的水深。现将主要水域引述如下： 4.1 湖 不混湖：这种湖上下水层不对流不混合，常年有含H2S的厌气停滞层，是最适宜光合细菌生长发育的湖，一年四季生长着红色硫黄细菌，绿色硫黄细菌： 循环湖：湖水全都是循环着的，难以形成水中的厌气层，光合细菌不太能生长，只有在夏季由于温度的关系在下层形成含有H2S的厌气停滞层，其中有大量的红色或绿色硫黄细菌繁殖。（图2） 在厌气层中生长的光合细菌种类受这水中H2S浓度、光强度、盐浓度、温度、PH值、氧化还原电位的影响。 4.2 氧化池和活性污泥糟 均是生物处理废水的系统，氧化池不太暴露于空气，硫酸还原菌等生长而产生H2S，促使厌气氧化池中红色硫黄细菌生长密度为10 Cells/ml，豆制品废水处理水也达到10 Cells/ml（星野等1975）。是兼性厌氧的。 4.3 下水道 极少数种类的光合细菌生长于下水道沉淀物中（水深1—2米）。其优势生长的种类随季节性不同而不同，底层呈现的颜色也随之不同。夏季红色非硫黄细菌占优势呈现红色；冬天红色硫黄细菌占优势呈红褐色。 4.4 海 海岸、海水湖的厌气层中生长着各种光合细菌，有时由于这些细菌的大量繁殖，致使海水呈现红色、绿色。这类菌种均有一定的耐盐性，与淡水分离的菌种在生理特性上多少有些差别。 4.5 其它水域 光合细菌在池、沼、硫黄泉、水田或灌水的土壤中生长。 综上引述光合细菌能生长在广泛的自然环境中，不仅能进行光合成作用，也能进行呼吸、发酵或脱氨，如此多样化的生长能力，正在吸引人们对它进行发掘和研究。 光合细菌存在于自然水域的厌气层的上部，它们以下层的硫黄还原菌，发酵细菌所生成的H2S、CO2为营养源进行光合成而生长，也就是利用从厌气层下部产生出来的化合物，籍助光能，使其变换成其它化合物，在厌气层下部再还原其中的一部分化合物。从另一角度说，光合细菌是一种能防止厌气层下部产生的物质原封不动地大量转移到好气层去的生物。这种细菌能去除H2S的氧化作用，才可能防止厌气层中有毒的还原性H2S向好气层扩散，从而确保在好气层中生活的水生动物和水生植物的健康生长，这在生态学上具有特别重要的意义。 5． 光合细菌在物质循环中的作用 5.1 碳源 光合细菌一般都能以混合营养而得到生长繁殖，以Chromafiacea科和Chlorobiaceae科的细菌而言，是以H2S作为进行光合反应的供H2体，利用水体中厌气层下部的CO2为其主要碳源。Rhodosprillaceae科的细菌，则以各种有机物作为供H2体，同时亦以各种有机物作为碳源。Chloroflexaceae科的菌种，能将CO2和有机物一起，同时很好的加以利用。当以CO2作为碳源时，其固定途经随菌种不同而各异。 Rhodosprillaceae科的细菌，能利用低级脂肪酸、醇类、碳水化合物和氨基酸等有机物作碳源，其利用范围因菌种而异，各有其特征。因而，可以依据对有机物的利用能力，而作为分离菌株的简易的鉴定方法。 5.2 硫黄 红色硫黄细菌和绿色硫黄细菌能把水层下生成的H2S氧化以硫黄颗粒的形式，并以某种比例堆积在水底。 5.3 氮源 以氮源而论，一般均可利用铵盐、氨基氮、甚至N2气，依据菌种不同也有能利用硝酸盐和尿素的菌种。光合细菌各菌种对氮化合物的利用范围问题，尚未见有系统的研究报导，可作为今后分类学研究的课题。根据固氮酶固定氮素的能力，可以看出这是这类细菌群的最大特征。将具有固氮酶同时具备氢化酶活性的菌种，置入无氮培养基中培养生长时，即会产生大量氢气。 在自然水域的厌气层和好气层都发生有光合生成物参加的碳素循环；在厌气层中光合细菌参与了碳素循环，在碳素循环的同时还进行着硫黄循环。另一方面好气层中，绿藻、蓝藻参与了碳素循环，在碳素循环的同时还进行着氧循环图3。 二、 光合细菌的分离、培养及鉴定法 光合细菌一般出现于水生环境的缺氧区，该区常有H2S积累，构成了一个适宜的自然萌发地带。在实验室或生产中可用人工仿制生境的方法，使之收集、培养和增殖这种细菌。 Winoradsky column 方法（1880年） 池子底泥+ 玻璃圆筒+ 纤维素、CaCO3加水灌满、装上塞子窗边或光照培养 Molish.Van Niel 方法（1930年） 对上述方法加以改良，选用适合于各种菌种生长的培养基，有目的地选择性地富集培养菌种。 Pfennig（1960年）等方法 在富集培养法的基础上对纯化方法加以改良，从而使多数菌种得以分离，现已知涉及4个科22个属61种。Carra（1969），Kondratieva（1965），Pfennig（1967），Van Niel（1971）及Whitten bury（1971）等学者都有论述。 1． 富集培养法 a） 分离源 使用采水器取营养丰富的厌气层水、一年四季从各地不断采集样品。 b）生长培养基 光合细菌四个科的培养基至今已有各种配方，许多有关书籍如上海交大编著“光合细菌的研究及其应用”，俞毓馨、吴国庆等编著的“环境工程微生物检验手册”以及北村博教授编著的“光合成细菌”均有详细的描述兹不复赘。 在营养中以碳、氮、磷营养因素为主的基础培养基，使光合细菌具备生命活动的能源和建造有机体的物质基础。还需要一定量的镁、钙、钠及有关微量元素，以保证其生理代谢的正常进行。 c）接种 接种样品的量以20ml生长培养基中加入1—2滴样品就行了。接种量太大会使培养基条件变化，也就不能有目的地增殖菌种。 d）培养 接种样品培养基通常在室内放置几小时到一昼夜（在暗处），以后再放在光照下进行光合成培养。其时间根据条件从一周到一个月。 e）光源 选用白炽灯，具有类胡萝卜素吸收的短波长光（450~550nm），也有被菌叶绿素吸收的长波长光（715~1050nm）。 光强度以500~2000lux为适宜。培养物离灯（40~60w）15—50cm。 F）阻止藻类生长 培养基中加入光化学系 阻害剂（Swoager1971）。 使用700nm以上的波长作为光源，菌叶绿素能生长（700 nm以上）而藻类含有的叶绿素吸收波长在700nm以下故不能生长见表4。 g）PH值、温度 PH值范围为6—8，培养温度为20—30度 2． 分离法 为了分离纯化增殖培养的光合细菌，一般使用琼脂培养基，产生这些菌的单克隆。 琼脂平板培养适用于红色非硫黄细菌科的分离。 琼脂振荡培养适用于红色硫黄细菌和绿色硫黄细菌的分离。 3． 保存法 光合细菌一般以液体培养状态保存，10—20度温度，弱光照明（约30lux）保存（Van Niel,1971）。也可保存于琼脂斜面。 4． 鉴定法 依据光合细菌科及属水平的鉴定检索表进行。 光合细菌的各种菌种细胞形态见图片4。 三、 近十年来我国对光合细菌研究文件查新 题目 作者单位 刊物（年） 备注 紫色非硫细菌光系统作用中心电子传递及质子运转机理 吴梦 中科院上海植生所 微生物学报（1994年） 光合细菌产氢条件的研究 孙琦等浙江大学生物科学系 微生物学报（1995年） 筛选13个菌株 绿色红假单胞菌和绿硫红假单细胞菌的分离与鉴定 杨素萍、张肈铭山西大学 同上 镧与铷对红假单细胞的生长，类胡萝卜素的生成及固氮活性的影响 陈声明等浙江农业大学 同上 浑球红细菌谷氨酸合成酶基因（glt）的克隆和图譜分析 鲁涛等中科院上海植生所 同上（1996年） 863计划 浑球红细菌谷氨酸合酶大亚单位基因（gltB）的序列分析 同上 同上 863计划 浑球红假单胞菌在暗处发酵生长时的固氮酶，吸氢酶以及放氢机制的研究 同上 微生物学通报（1991年） 处理柠檬酸发酵废水的高活性PSBP4菌株的分离鉴定 杨大庆等上海交大生物所 同上 乙酸钠为C源50小时进入稳定期72小时后废水COD 去除率达85. 3% 第二届全国海洋与淡水微生物学。海洋生物工程学学术讨论会 同上 光合细菌方面,选育了一些优良菌株,将开发为饲饵料添加剂 采用tlungalte厌氧培养技术分离纯化光合细菌的方法 于温旭等山东大学微生物所 同上（1992年） 快速、准确、简便 产氢紫色非硫光合细菌的分离与筛选 刘双江等中科院微生物所 同上（1993年） 产氢高的菌株 铜绿假单胞菌PIC-N荼降解基因的研究 王岳五等南开大学生物系 同上（1994年） 降解荼等多环芳香烃并产生水杨酸和其它化工产品的工程菌株 红假单胞菌H菌株生长细胞光照放氢条件的研究 中科院微生物所 微生物学通报（1994年） 对光合细菌光照放氢现象的认识已有40多年的历史，但真正从获取氢能角度去研究则是近十年内的事。日本进展很快，已完成了利用淀粉废水生产氢能的研究。据悉国内也有进行从废水中产氢的尝试，至今未取得满意结果 厌氧微生物研究的新进展 凌代文中科院微生物所 同上（1995年） 紫色非硫黄细菌光合基因表达调控研究进展 吴大庆等山东大学微生物所 同上（1996年） 近年研究最多最深入的领域之一。 假单细胞菌产脂肪酶条件的初步探索 高修功等无锡轻工业大学 同上（1997年） 筛选一株具有一定脂肪酶能力的假单胞菌菌株 同上 同上 丙酮酸对浑球红假单胞菌突变株固氮酶活性的调节 吴永强等中科院植生所 植物生理学报（1992年） |
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